金属の急冷方法

Question

50φ×20（ｍｍ）程度の大きさの各種金属（亜鉛、アルミ等）の急冷した試料を作製するにはどのようにするのが簡単で安全なのでしょうか。炉、坩堝、鋳型があるくらいで他に満足な設備がありません。ご存知の方ご教示下さい。

Accepted Answer

現状お使いの金型のままなら、水冷が一番簡単です。
金属製の大きめのバケツに水を張って、金型ごと水没させます。
このときに金型を動かしながら冷却するのがコツです。
水蒸気が発生すると熱伝達が落ちて、思ったほどの効果がでません。
気体への熱伝達は非常に遅いので、液体の「水」に試料が常に触れるように
金型ごと掻き混ぜてください。

いくつか指摘のある水蒸気爆発ですが、経験上まず心配ありません。

亜鉛は経験がありませんが、アルミは問題なくできると思います。

ただし、スズのように融点の低い金属の場合はこの方法は危険です。
凝固は試料の表面から始まりますが、低融点金属では冷却初期の凝固層が薄すぎて、
内部の溶融金属を保持することができず、発生する水蒸気のガス圧によって
凝固層が破壊され、水蒸気と一緒に飛び散ります。

このような金属の場合は大きな銅板を使って、銅板に熱を吸収させるようにするのが
効果的です。

Answer

こんばんは

>50φ×20（ｍｍ）程度の大きさの各種金属（亜鉛、アルミ等）の急冷した試料を作製するにはどのようにするのが簡単で安全なのでしょうか。
　大きさからして、成分分析用の試料を作るのだと思いますが、それでした
らうちでは銅で作りました。大きさはφ４０（厚み１０ミリ）＋旋盤で掴みや
すいようにφ２０（長さ３０ミリ）位です（全長４０ミリ位）。
※ブロックの大きさは６０×６０×１００程度で２個使用。
　
分析するところは厚みが薄いし（１０ミリ）、金型が銅ですからかなり急冷
されると思います。

水・水分には十分ご注意下さい。水分のあるあるいは水のこぼれたコンク
リートに湯をこぼすと穴を掘るほどの爆発をします（しました）。

Answer

各種金属の急冷は、冷却の原理を簡単に考察しますと良いでしょう。

? 温度差のある液体等に付ける（水や油が一般的）
　 水は約20℃と金属***℃の温度差
　 水が局部的に蒸発する際に、気化熱で冷却する
　 水と油で冷え方が異なる（熱の伝わり方や気化熱等々で）

金属の温度にもよりますが、20Ｌ～50Ｌの缶に水を貯めて、
その中に（φ50mm×20mm）材を入れれば、良いと考えます。
<完全防護で、遮蔽板等も考慮が必要です>

Answer

「融点プラス１００℃くらいから常温程度までをできるだけ早く下げたい」
ということは、まず「急冷凝固」させたいということだと思います。
だとすると、現在の鋳型（どのようなものか分かりませんが）内で凝固さ
せる限り、凝固速度は変わらないと思います。急冷凝固させるならば、鋳
型を変更するしかないのではないでしょうか。

「現在の鋳型」が金型ならば、金型を外部から、または内部から水冷する。
さらには材質が鉄系ならば、水冷銅鋳型に変更するなどが考えられます。
この場合なら凝固後の冷却速度も速くできます。

一方「現在の鋳型」が砂型ならば厄介です。砂型内に「冷し金」を設置す
ることぐらいしか思いつきません。一旦凝固して固体になってしまえば、
それ以降の冷却を早くする方法は、すでに回答のある方法で良いと思いま
す。

Answer

坩堝と鋳型、ということは溶けた状態からの冷却ですね。
回答１にもありますとおり、水蒸気爆発が危険です。
鋳型の種類がわかりませんが、金型は通気性がないので、わずかに
結露しただけでも水蒸気爆発を起こす可能性があるので必ずバーナーなどで
あぶって、１００℃以上に予熱してください。
そうすると急冷にならないのではないか？という疑問があると思いますが、
金型の場合、熱伝導率が高いので溶湯から熱を奪う能力が高く、
資料は十分急冷組織になると思います。
砂型でしたら、焼結しない、いわゆる生型を使って、凝固したらすぐに
型をバラして、じょうろで水をかけるとか。このときも、どばっとかけて
水の幕で覆ってしまうと危険なので、あくまでシャワー状にさーっと。
ドライアイスは、マイナス７０度の「ガス冷却」になるので、冷たくは
なるけれど冷却速度はそんなに速くないと思います。

Answer

こんにちは。
適当な大きさの箱（発砲スチロールの箱とか）を用意して、ドライアイスの
中に試料を埋めてやれば－７０℃ぐらいまで冷やす事が出来ます。
どういう状態（温度とか）の試料を～℃まで冷却したいということを具体的
に書けば、もっと適切なアドバイスが受けられるのではないかと思います。

金属の急冷方法